晶硅太阳能电池总结分析文档格式.docx
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4.4化学腐蚀24
五、太阳电池设计要点25
5.1各类硅材料太阳电池比较25
5.2太阳电池设计要点26
六、晶硅太阳能电池制备工艺26
6.1基本概念26
6.2工艺步骤27
七、太阳能电池组件封装30
7.1封装的原因30
7.2组件的定义31
7.3封装的形式31
7.4封装流程31
7.5封装材料32
7.6太阳电池组件制造设备33
7.7太阳电池组件封装工艺33
八、晶硅太阳能电池性能表征34
8.1太阳电池测试分析34
8.2太阳电池测试标准条件为34
8.3检测35
九、光伏系统36
9.1太阳电池等效数学模型36
9.2光伏独立发电系统39
9.3光伏并网发电系统40
9.4逆变器41
晶硅太阳能电池
1、硅（Si）元素
硅（silicon），在港台地区称矽。
14号元素，IV，28，丰度25.7%，晶体硅在常压下为金刚石结构，熔点为1420℃，沸点2355℃。
1.1硅的分布
硅约占地壳总重量的25.7%，仅次于氧。
自然界中以氧化物形式存在，一般以氧化物（SiO2，硅酸盐等）存在，极少游离态。
其中最简单的是硅和氧的化合物硅石SiO2。
石英、水晶等是纯硅石的变体。
矿石和岩石中的硅氧化合物统称硅酸盐，较重要的有长石KAlSi3O8、高岭土Al2Si2O5（OH）4、滑石Mg3（Si4O10）（OH）2、云母KAl2（AlSi3O10）（OH）2、石棉H4Mg3Si2O9、钠沸石Na2（Al2Si3O10）·
2H2O、石榴石Ca3Al2（SiO4）3、锆石英ZrSiO4和绿柱石Be3Al2Si6O18等。
土壤、黏土和砂子是天然硅酸盐岩石风化后的产物。
1.2物理性质
有无定形硅和晶体硅两种同素异形体。
晶体硅为灰黑色，金属光泽。
溶点高，硬度大，质地脆。
导电性为半导体。
族
ⅣA族
周期
3
元素分区
p区
常见化合价
+4
硬度
6.5
地壳含量
25.7%
密度
2.33g/cm（18℃）
熔点
1687K（1414℃）
沸点
3173K（2900℃）
1.3化学性质
硅在常温下其化学性质是稳定的，是具有灰色金属光泽的固体，不溶于单一的酸，易溶于某些混合酸和混合碱，在高温下很容易与氧等化学物质反应。
单晶硅材料是目前世界上人工制备的晶格最完整、体积最大、纯度最高的晶体材料（直径为18英寸，纯度可达99.9999999）。
1.4晶体结构
硅原子的电子结构为1s22s22p63s23p2,经过sp3杂化，硅原子形成4个等同的杂化轨道，有4个未配对的电子，所以杂化轨道的对称轴恰好指向正四面体的顶角。
每个硅原子外层的4个未配对的电子，分别与相邻的硅原子的一个未配对的自旋方向相反的价电子组成共价键，共价键的键角是109°
28′。
（111）面的面间距大，键密度最小，晶体硅最容易沿该面解理；
（111）面为原子密排面，表面态密度大，腐蚀速率小；
（100）面的间距最小，键密度最大；
（110）和（100）面是非密排面，表面态密度小，腐蚀速率大，沿（110）和（100）面生长的晶体硅的晶片容易破碎。
1.5硅材料的半导体性质
Addition：
优良半导体应具备的基本特性
（1）掺杂性：
在纯净的半导体中适当地掺入一定种类的极微量的杂质，半导体的导电性能就会成百万倍的增加—这是半导体最显著、最突出的特性。
（2）热敏性：
当环境温度升高一些时，半导体的导电能力就显著地增加；
当环境温度下降一些时，半导体的导电能力就显著的下降—这种特性称为“热敏”。
（3）光敏性：
当有光线照射在某些半导体时，这些半导体就像导体一样，导电能力很强；
当没有光照射时，这些半导体就像绝缘体一样不导电，这种特性特性称为“光敏”。
Silicon:
①电阻率特性
硅材料的电阻率在10-5-1010Ω·
cm之间，介于导体和半导体之间，高纯未掺杂的无缺陷的晶体硅材料称为本征半导体，电阻率在106Ω·
cm以上。
可以通过掺杂改变硅材料的导电类型和电阻率，一般掺杂五价磷元素或三价硼元素分别形成n型和p型。
硅材料的导电性还受到光、电、磁、热、温度等环境温度因素的明显影响。
②p-n结特性
n型半导体和p型半导体材料相连，组成p-n结，这就是所有硅半导体器件的基本构造，也是太阳电池的基本结构，具有单向导电性等性质。
③光电特性
与其它半导体材料一样，硅材料组成的p-n结在光的作用下能产生电流，如太阳电池。
1.6光谱响应
图光的波长分类
在太阳电池中，只有那些能量大于其材料禁带宽度的光子才能在被吸收时在材料中产生电子－空穴对，而那些能量小于禁带宽度的光子即使被吸收也不能产生电子－空穴对（它们只是使材料变热）。
这就是说，材料对光的吸收存在一个截止波长（长波限）。
对太阳辐射光线来说，能得到最好工作性能的半导体材料，其截止波长应在800nm以上，包括从红色到紫色全部可见光。
每种太阳电池对太阳光线，都有其自己的光谱响应曲线。
它表示电池对不同波长的光的灵敏度（光电转换能力）。
硅的光谱响应在400～1100nm的波长之间，它的最大值是在850nm，能吸收的太阳光总能量为76％。
硅材料的禁带宽度为1.12eV,硅是间接带隙半导体，因此其光吸收系数较低。
另外，由于硅材料的光吸收处于红外波段，硅材料对1-7um的红外光是透过的。
按纯度划分：
金属（级）硅和半导体（电子级）硅:
纯度约为95%-99%，称为金属硅或冶金硅;
太阳能电池用硅纯度在>
7N，二极管>
9N，集成电路>
11N.
按结晶形态划分：
单晶硅、多晶硅和非晶硅
2、硅的发现及晶硅太阳能电池的历史
2.1硅的发现
1787年，拉瓦锡首次发现硅存在于岩石中。
1811年盖-吕萨克和泰纳尔加热钾和四氟化硅得到不纯的无定形硅，根据拉丁文silex（燧石）命名为silicon。
1811年，盖-吕萨克和泰纳尔以矽（硅）的四氟化物与碱土金属反应，发现在反应当中生成赤褐色的化合物（可能是含不纯物无定形的矽）。
1823年，硅首次作为一种元素被永斯·
雅各布·
贝采利乌斯发现，并于一年后提炼出了无定形硅，其方法与盖-吕萨克使用的方法大致相同。
他随后还用反复清洗的方法将单质硅提纯。
1823年，Berzelius以氧化矽（硅）的粉末，加以铁，碳的混和物在高温下加热，得到矽（硅）化铁。
但是为了抽取纯的矽（硅），他使用矽（硅）-氟-钙的化合物，干烧之后得到的固体，加水分解得到纯的矽（硅）。
发现硅的荣誉归属于瑞典化学家Jö
nsJacobBerzelius，在斯德哥尔摩（瑞典首都）于1824年，他通过加热氟硅酸钾和钾获取了硅。
这个产物被硅酸钾污染，但他把它放在水中搅拌，会与之反应，因此得到了相对纯净的硅粉末。
1824年永斯·
贝采利乌斯用同样的方法，但经过反复洗涤除去其中的氟硅酸，得到纯无定形硅。
1854年H·
S·
C·
德维尔第一次制得晶态硅。
2.2晶硅电池发展简史
3、硅的提纯工艺
3.1高纯多晶硅制备（纯度要求高于7个9）
在浸没式电弧炉中，利用纯度为99%以上的石英砂和焦炭或木炭在2000℃左右进行还原反应，可以生成多晶硅，其反应方程式为：
SiO2+3C=SiC+2CO高温高能耗
2SiC+SiO2=3Si+2CO排放
此时的硅呈多晶状态，纯度约为95%-99%，称为金属硅或冶金硅，又可称为粗硅或工业硅。
（冶金、化工和光伏业）。
这种多晶硅材料对于半导体工业而言，含有过多的杂质，主要为C、B、P等非金属杂质和Fe、Al等金属杂质，只能作为冶金工业中的添加剂。
在半导体工业中应用，必须采用化学或物理的方法对金属硅进行再提纯。
3.2化学提纯:
根据中间产物的不同，化学提纯多晶硅可分为不同的技术路线，其共同路线，其共同的特点是：
中间化合物容易提纯。
在工业中应用的技术有:
①三氯氢硅氢还原法②硅烷热分解法③四氯化硅还原法
1三氯氢硅氢还原法（西门子法）
化学反应方程式为：
Si+3HCl=SiHCl3+H2
反应除生成中间化合物三氯氢硅以外，还有附和的化合物，如SiCl4、SiH2Cl2气体，以及FeCl3、BCl3、PCl3等杂质氯化物，需要进行精馏化学提纯，经过粗馏和精馏两道工艺，三氯氢硅中间化合物杂质含量可以降到10-10-10-7数量级。
过程：
将原始高纯多晶硅（直径约为5mm）通电加热至1100℃以上，通入中间化合物和高纯氢气，发生还原反应，采用化学气相沉积技术生成新的高纯硅沉积在硅棒上，使得硅棒不断长大，直到硅棒的直径达到150-200mm，制成半导体高纯多晶硅。
反应方程式：
SiHCl3+H2=Si+3HCl
或2（SiHCl3）=Si+2HCl+SiCl4
或是将多晶硅粉末置于加热流化床上，通入中间化合物和高纯氢气，使生成的多晶硅沉积在硅粉上，形成颗粒高纯多晶硅。
2硅烷热分解法
该方法与西门子法接近，只不过中间产物是硅烷；
用硅烷做中间化合物的优缺点：
优点：
①易于提纯；
②硅中金属杂质在硅烷制作当中不易形成挥发性的金属氢化物；
③硅烷形成偶杂质原子相对易除去；
④硅烷可以直接分解切分解温度相对低。
缺点：
综合生产成本很高。
流化床法：
利用四氯化硅和金属硅反应生成三氯化硅，然后三氯化硅畸化反应，生成二氯二氢硅，最后二氯二氢硅催化畸化生成硅烷。
生成的硅烷可以利用精馏技术提纯，然后通入反应式，细小的多晶硅硅棒通电加热至850℃以上，硅烷分解，生成多晶硅沉积在硅棒上，化学反应式为：
SiH4=Si+2H2
流化床法的优缺点：
优点：
产率高、电耗低、成本低
缺点：
安全性较差，危险性较大，产品纯度不高。
但是可以基本满足太阳电池生产使用。
故该方法比较适合大规模生产太阳能级多晶硅。
挪威可再生能源公司（REC），德国瓦克公司（Wacker），美国HemLock和MEMC公司等。
其中：
REC以硅烷气为原料，采用流化床反应炉闭环工艺分解出颗粒状多晶硅，且基本上不产生副产品和废弃物。
这一技术使得REC在全球太阳能行业中出于独一无二的地位。
3四氯化硅氢还原法
四氯化硅氢还原法是早期最常用的技术，但材料利用率低、能耗大，现在已经很少采用。
该方法利用金属硅和氯气反应，生成中间化合物四氯化硅，其反应式为:
Si+2Cl2=SiCl4
同样采用精蒸馏技术对四氯化硅进行提纯，然后利用高纯氢气在1100-1200℃还原，生成多晶硅，反应式为：
SiCl4+2H2=Si+4HCl
3.3单晶硅的生长工艺：
单晶硅根据生长的方式不同，可以分为区熔单晶硅和直拉单晶硅；
区熔单晶硅是利用悬浮区熔炼（FloatZone）的方法制备的，所以称为FZ单晶硅。
直拉单晶硅是利用切氏法（Czochralski，波兰人）制备单晶硅，称为CZ单晶硅。
区域提纯多晶硅生长单晶硅是在20世纪50年代提出，较一般电子级单晶硅具有更高纯度和更高电阻率。
区熔硅单晶采用的多晶硅材料成本大大高于直拉单晶硅所用材料，而其产品销售价格也
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